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51的江湖 | RFID读写距离不是问题,关键是看谁来做!

2015/08/29
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上文《牵手软件部门,林助理彻底明白了IAP和ISP的区别》讲到,华容第二次与软件部门合作,在项目《基于网络架构的终端设备在线升级》中负责客户端程序的编写,走访了两个部门,疑惑一一排除,方案随之确定下来,接下要做的就是网卡程序的改写和MCU程序的编写和调试...

 

工作的日子,就是面对一个又一个的新问题,而工程师的职责,则是一个接着一个地解决问题。


正如当初所料,本次与软件部的合作是极为顺利的,在线升级的问题完美解决,为此华容奖励自己半天时间,用来整理和汇总与本项目的相关文档,然后进入到收官的环节,也是本次升级要解决的最后一个问题—提高RFID读头的读写距离。

读头的芯片是FM1702SL,而不是原来常见的RC500,这一点,在接手项目之初,华容就注意到了,所以查阅了相关的资料,对比、归纳了一下二者的优缺点:
1、在性能方面,二者相近,RC500更胜一筹;
2、在价格方面,前者具有很大的优势,几乎不到后者的2/3;
3、在硬件电路设计方面,前者的接口是SPI,因此封装也精简了,管脚只有24个,除了与MCU的接口有所差异外,其他外围电路的设计几乎与RC500是相同的,但体积小、布线也变得简单了;
4、在软件程序设计方面,同样支持ISO/IE14443TYPE A协议,在认证和加密方面,二者功能完全相同。


基于上述的优点,使得FM1702SL在读头设计方面非常受欢迎。


华容再次审视眼前的读头,该读头是相对独立的一个模块,通过排线与PAD的主板连接。读头中心偏下的部分是IC电路,元件相对密集,外围则是由4圈半的环形布线构成的电感,布线是与板子的边缘平行的,就此构成LC谐振电路,而且是数据手册中推荐的双回路结构,这种方式的电路设计是RC500的经典设计之一,也是精华之一。那么提高读写距离的唯一办法就是调整读头天线电路相关元器件的参数。


接触过射频电路的人都知道这一点:天线电路属于射频前端,其作用是射频(无线)信号发送和接收的通道,因此本质来说,天线是一种能量转化装置—将电信号转换为电磁波的装置,而且这种转换是可逆的。既然是能量转化装置,那么就涉及到转化效率的问题,天线电路设计得优与劣,将直接影响到产品的性能,所以射频产品电路的成败,很大程度上取决于天线电路的设计。

 

天线电路的设计,关键环节在于天线形状的设计,天线形状的设计又是非常灵活多变的,工程师可以发挥自己的创造力来完成自己的作品,虽然说在形状设计方面是允许创意无限,但产品毕竟不是艺术品,在外观上必须要考虑安装的位置、实际空间的限制等需求。除此之外,就是严谨的理论依据,在天线电路的设计方面可以遵循如下的规则:


1、天线的长度设计
天线展开的长度与信号的频率有关系的,天线的长短和波长成正比,所以和频率成反比,频率越高,波长越短,天线也就可以做得越短。但天线的长度并不等于一个波长,往往是1/4波长,因此,有经验的工程师只要瞄一眼天线的形状和布线,便可以判断出其工作的频段范围。


2、谐振频率
天线电路的谐振频率,最理想的情况下是等于发送或接收信号的频率,此时电路将产生谐振,天线的两端将获取最大的电压或者电流,反之效果会很差,甚至是天壤之别。


3、天线电路的Q值
Q值,即品质因数,用于描述回路的质量,该值的大小仅仅与电路本身的参数有关系,即Q=电感电容等储能器件携带的能量÷电阻的损耗功率。


那么Q值的指导意义是什么呢?


对于电感器来说,Q值越高,其损耗越小,效率越高;
对于谐振回路来说,Q值越大,通频带越窄,电路对于信号频率的选择性越高;反过来,Q值越小,通频带越宽,电路对于信号频率的选择性要求越低。


掌握了天线电路的工作原理,那么提高距离的问题也就迎刃而解了。


华容从抽屉里取出来自制的一块电路板:13.56MHz天线场强检测卡,该检测卡依照电感耦合原理制作而成的,参数经过准确的调试,中心频率13.56MHz,偏差可以忽略不计。将卡片上的两条引线分别连接万用表的表笔,接着选择档位为直流电压最大量程,然后将检测卡放在读头的上方,开启PDA的读卡功能,此时万用表的示数仅为6V左右。


“电压太低了,一定是电容参数不匹配。”华容给出了初步的结论,同时一块石头落地,对于这个电路来说,调整电容参数是最直接而且是最有效的手段。


想了想现在的情况,她放下手里的活儿,拿起玻璃茶,重新泡上一壶茶,当泛起茶香的时候,端着茶壶,来到了燕飞的工作台前。


“燕总,刚泡好的茶,来一杯,怎么样?”


“说吧,什么事情?”燕飞没有抬头,漫不经心地反问,同时将手里的杯子递了过来。


“没事儿就不能请您喝茶吗?”华容撇撇嘴,说着接过杯子,倒了8分的茶水,然后递给燕飞。

 

燕飞抬起来,摘下眼镜,然后接过杯子,将椅子转了180度,用另一只手示意华容也坐下来,“你的状态像是没事儿吗?前些日子,忙得昏天黑地,连个人影儿都抓不到,现在请我喝茶,聊聊吧,升级遇到问题了?”


华容把茶壶放在桌子上,拉过椅子,坐在对面,然后回答:“升级没有问题,进展顺利。”


“呼~呼~,” 燕飞向杯子吹着气,呷了一口茶,然后接着问:“是吗?在线升级的功能,你花了多长时间?”


“一周半。”


“一周半的时间?速度够快的。”自问自答之后,放下杯子,抬起头接着发问:“性能如何?进行批量测试了吗?”


“生产部在进行批量测试,测量近一周了,性能稳定。”


“听起来不错嘛!”,说着,用右手的手指轮流地有节奏地轻敲桌面,这是他在思考时的习惯性动作。


“这不是您指导有方吗?”华容笑着回答。


“打住,别贫嘴了,在线升级那么麻烦的事情,也不见你来找我,现在结束了,反而过来,有什么事情就直接说吧。”燕飞点破了华容的心思。


“服了U,真是洞察秋毫”,华容收敛了笑容,一边向杯子里续茶,一边解释:“现在调试RFID的读写距离,打算参考一下原来RC500的天线电路的参数,顺便借用一些电容,我手里的电容数量少,而且规格少”。


“电容我这里有些,一会儿你可以自己挑选。” 停了一下,接着补充:“你来调试这个电路,应该没有问题,不过你一个人就够了,不要让别人插手”。


华容不解,“不要让别人插手……?您指的是小林吗?”


“除了他,你还有别的助手吗?”反问的答案是肯定。


“为什么?”华容疑惑了。

 

“别问那么多了,听人劝吃饱饭,这个道理你不会不懂吧,有些事情的答案,以后你也许会知道的。”燕飞面色平和,但目光却是深不可测。


华容的反应仍然是不明就里,燕飞接着补充了一句貌似不相干的话:“你记住一点,现在的SD公司,真正懂得RFID的人,只有两个半人,你我,还有那半个人是岳海。”


“哦,这样啊。”华容似乎明白了燕飞的暗示,对于某些神秘的东西,只能掌握在少数人的手里。


回到座位上,华容将“借来”电容,全部摆放在桌面上,由于没有器件盒,因此按照封装带上的标记,将电容从小到大,依次排列。


对比了一下RC500的天线板,眼前的读头天线,从外形尺寸上看,在长度方面至少缩小了1.5cm,而在宽度缩小得更多,形状由原来的接近正方形变成了扁平的矩形,但天线的匝数、密度和布线的宽度几乎是相同。再查看一下谐振电路的电容,从外观上看,估计是参数没有改变。


“电感小了,电容没有变,因此工作频率偏高,那么谐振电压势必大打折扣,甚至不能产生谐振,更加谈不上Q值的影响了。”华容思索着,顺手拿起两个10P的电容,分别并联到板子上的两个电容上面,然后重复测试检测板的输出电压,示数升高了近1.0V。
结果验证了华容的推测,接着用同样的方法,继续调试电路。电容的参数每次增加10P,当接近峰值的时候,将增加的电容参数减小,确保可以检测到峰值。当检测到峰值的时候,取下来所有的电容,包括原来的电容,然后用电桥进行精确测量,并将测量的结果记录下来。回到座位上,在所有的电容中,选取与测量结果最接近的单个电容,接下来,将选取的样品焊接到电路板的指定位置,再次进行电压的测量,验证其示数是否接近峰值。


经过几轮的测试,华容确定了与本读头匹配的电容参数,在指定的电容上分别并联一个56P的电容即可。这个调试的过程虽然有些繁琐,但原理却只是最简单的LC谐振。
确定了参数之后,华容对调整后的电路性能进行了终极测试,即用烟草局专用的币形卡进行读写验证。事实证明,组装完毕的整机,读写距离由原来的1cm,提升到了3cm;在读头未装机的情况下,读写距离提升到4.5cm。接着,用标准卡进行同样的测试,读写的距离是提升到了6.5cm。


有了准确的参数和事实的验证,华容心里有了定数,告知生产部的柳茜茜,进行如法炮制,改善读头的读写距离问题。


于是在众人的一片诧异中,本轮的PDA及相关功能的升级正式落幕。


事后,小林单独找过华容,请教关于射频卡读写距离的问题,由于燕飞告诫在先,所以华容不便言明,但终究是有些不忍心,于是拿给他一本关于射频识别的书籍,其中的奥秘,让他自己去领悟。

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电子产业图谱

1996毕业于华东理工大学自控系,同年7月进入某大型国企担任电气员。2000年转行从事硬件研发相关工作;后从事RFID相关产品的研发、设计,曾参与中国自动识别协会RFID行业标准的起草;历任硬件工程师、主管设计师、项目经理、部门经理;2012年至今,就职于沈阳工学院,担任电子信息工程专业教师,研究方向:自动识别技术。已经出版教材《自动识别技术概论》,职场故事《51的蜕变 》。